村鎮(zhèn)淺層地下水脆弱性評價及其驗證

周超哲，許仕榮，張 偉，邱順凡(. 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 4008；. 湖南城市學(xué)院市政與測繪工程學(xué)院，湖南 益陽 4099；. 中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，長沙 400)

根據(jù)《2014年中國環(huán)境狀況公報》，我國地下水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點有4 896個，其中水質(zhì)達(dá)到良好以上的比例為36.7%，而較差的比例為45.4%，極差的比例為16.1%，地下水的水質(zhì)情況不容樂觀。 大部分農(nóng)村地區(qū)通過打井獲取淺層地下水作為飲用、生活水源。由于地下水流動較慢，自我修復(fù)能力較差，一旦受到污染很難治理[1]，將對農(nóng)村飲用水安全帶來極大的隱患。因此，急需加強針對農(nóng)村地區(qū)淺層地下水的脆弱性評價。

地下水的脆弱性分為2類：本質(zhì)脆弱性和特殊脆弱性[2]。美國環(huán)保署于1987年提出的DRASTIC模型已被廣泛地應(yīng)用到歐盟各國地下水脆弱性評價中[3,4]。1996年，我國首次引入DRASTIC模型并將其應(yīng)用到大連和廣州[5,6]。由于近年來江湖沿岸工業(yè)發(fā)展使地表水水質(zhì)逐漸變差，沿岸村鎮(zhèn)地下水受到一定的影響。因此對村鎮(zhèn)淺層地下水環(huán)境進(jìn)行脆弱性評價，對農(nóng)村飲用水安全具有重大的意義。

1 村鎮(zhèn)地下水脆弱性評價

1.1 脆弱性評價指標(biāo)的確定

1.1.1本質(zhì)脆弱性評價指標(biāo)

DRASTIC模型評價指標(biāo)包括定性和定量2類，其評價指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)與范圍分別見表1、表2[7]。隨著評分值的增大，防污性能由好變差。

表1 本質(zhì)脆弱性定量評價指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)和范圍Tab.1 Scoring criteria and scope for the nature vulnerability quantitative assessment indicators

注：表中w為根據(jù)式(1)計算出的權(quán)重值。

表2 本質(zhì)脆弱性定性評價指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)和范圍Tab.2 Scoring criteria and scope for the nature vulnerability qualitative assessment indicators

注：表中w為根據(jù)式(1)計算出的權(quán)重值。

1.1.2農(nóng)村地區(qū)特殊脆弱性評價指標(biāo)

結(jié)合村鎮(zhèn)生活生產(chǎn)的特點，本研究將農(nóng)村地區(qū)特殊脆弱性評價指標(biāo)分為：①土地利用類型。人類對土地的不同用法將對地下水產(chǎn)生較大的影響，如加油站、垃圾填埋場等區(qū)域的地下水極易受到污染；②地表水水質(zhì)。地表水中的污染物通過垂向、側(cè)向滲透進(jìn)入到地下水，因此，地表水水質(zhì)越差，地下水受到污染的風(fēng)險越高。③農(nóng)藥使用量。農(nóng)藥是人工合成的復(fù)雜有機物，降解周期、殘留時間長，因此農(nóng)藥的使用對地下水的影響極大。④化肥使用量。對稻田施用化肥會影響到地下水的水質(zhì)，施用化肥量越大，地下水就越容易受到污染；根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)與研究區(qū)實際農(nóng)藥、化肥施用強度確定各特殊脆弱性評價指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)與范圍見表3。

表3 特殊脆弱性評價指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)與范圍Tab.3 Scoring criteria and scope for the special vulnerability assessment indicators

注：表中w為根據(jù)式(1)計算出的權(quán)重值。

1.2 模糊層次分析法對地下水脆弱性評價[8]

將各個指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較并由表4的標(biāo)度建立模糊一致矩陣R。各指標(biāo)權(quán)重的計算如下：

(1)

i,k∈Ω,Ω={1,2,…,n}

式中：n為矩陣階數(shù)，即指標(biāo)總數(shù)，本文n=11；a為計算參數(shù)，取a=(n-1)/2；rik為模糊一致矩陣(i，k=1，2,…，n)。

由式(1)求出各指標(biāo)的權(quán)重值見表1，2，3。

1.3 地下水特殊脆弱性的GIS應(yīng)用

運用ArcGIS 10.1軟件，根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的調(diào)查，創(chuàng)建各個評價指標(biāo)的矢量圖并建立屬性數(shù)據(jù)表。按照脆弱性評價的評分標(biāo)準(zhǔn)賦予指標(biāo)對應(yīng)的評分值，得到評價指標(biāo)的評分圖。將各評分圖進(jìn)行疊加處理并乘以其相應(yīng)權(quán)重，得到地下水特殊脆弱性評價結(jié)果圖。

表4 模糊一致矩陣標(biāo)度及含義Tab.4 Scale and meaning for fuzzy consistent matrix

1.4 建立脆弱性評價集

地下水特殊脆弱性評價指數(shù)DI計算公式：

(2)

式中：iW為各評價指標(biāo)的權(quán)重值；iR為各評價指標(biāo)的評分值。

根據(jù)評價指數(shù)的大小，將農(nóng)村淺層地下水特殊脆弱性劃分為5個等級，具體見表5。

表5 地下水特殊脆弱性的等級程度Tab.5 Classes of groundwater specific vulnerability degree

2 地下水脆弱性評價模型驗證

目前國內(nèi)對地下水脆弱性評價模型的驗證方面的研究較少，主要采用“三氮”的污染分布與地下水脆弱性分布圖進(jìn)行對比。姜桂華[9]、劉春華[10]用“三氮”污染現(xiàn)狀驗證脆弱性評價結(jié)果，研究表明“三氮”污染情況與評價結(jié)果基本一致。李輝[11]等用硝酸鹽分布情況對脆弱性評價結(jié)果進(jìn)行驗證，其評價結(jié)果較為可靠。此外，徐小元[12]利用研究區(qū)地下水的水質(zhì)，分別采用單因子和綜合因子進(jìn)行驗證，結(jié)果表明特殊脆弱性區(qū)劃圖與綜合污染指數(shù)分布圖有較好的相關(guān)性。

綜上地下水脆弱性評價模型驗證存在以下不足：①相關(guān)研究較少且忽視對評價結(jié)果的驗證；②模型的驗證因素較為單一，從個別水質(zhì)指標(biāo)來驗證模型評價的結(jié)果，其準(zhǔn)確性不能得到保證；③缺乏系統(tǒng)的地下水脆弱性評價模型驗證方法。

2.1 脆弱性評價模型驗證指標(biāo)

本研究根據(jù)村鎮(zhèn)地下水的實際情況和地下水的水質(zhì)，將農(nóng)村地下水脆弱性模型驗證指標(biāo)劃分為地下水感官性狀與地下水水質(zhì)情況2類共11項。

2.1.1地下水感官性狀

主要通過人的直觀感官感受對地下水進(jìn)行初步的判別。地下水感官性狀包括以下3類：

(1)味感。是水中某些化學(xué)物質(zhì)對人的舌、口鼻處的感覺末梢神經(jīng)刺激而產(chǎn)生的感覺[13]。地下水嘗起來有苦、澀、咸，甚至散發(fā)臭味，則表示地下水的味感差。

(2)顏色。通過人的視覺系統(tǒng)獲得對水的直觀感受。地下水出現(xiàn)濁度高，煮沸沖茶變藍(lán)色等現(xiàn)象，則表明地下水色度差。

(3)結(jié)垢情況。地下水用水壺煮沸過程中會產(chǎn)生不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象，水壺在較短時間聚集較多的水垢，則說明水質(zhì)較差。

2.1.2地下水的水質(zhì)情況

根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-9)，主要水質(zhì)檢測指標(biāo)包括pH、鐵錳含量、“三氮”含量、電導(dǎo)率、UV254。

(1)總鐵、錳、“三氮”含量。我國地下水鐵錳超標(biāo)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，耕地區(qū)域施肥中的部分化肥進(jìn)入到淺層地下水中，“三氮”含量能反映出農(nóng)村地區(qū)農(nóng)業(yè)活動對地下水的影響。根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中總鐵、錳、“三氮”含量對地下水水質(zhì)的劃分，若其為Ⅳ～Ⅴ時，則地下水水質(zhì)較差。

(2)pH值。pH值作為各種水質(zhì)指標(biāo)的基本指標(biāo)，有著很重要的意義。根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中pH值對地下水水質(zhì)的劃分，pH值小于5.5或者大于9的地下水屬于Ⅴ類，地下水質(zhì)量差。

(3)電導(dǎo)率。地下水的電導(dǎo)率異常與地下水的污染存在一定的關(guān)系，地下水中各組分濃度在背景值范圍內(nèi)則表明該地下水未受污染，即背景值是判別污染的最好準(zhǔn)則[14]。采用迭代剔除兩端極值法，計算公式：Ks=Ks+S(Ks為平均值，S為均方差)。地下水電導(dǎo)率大于背景值表示地下水受到一定程度的污染。

(4)UV254。UV254可間接反映水中有機污染物的濃度，UV254較大表明水質(zhì)較差。

根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、在研究區(qū)獲得的感官性狀和水質(zhì)數(shù)據(jù)確定各驗證指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)與范圍分別見表6、表7。

同理采用模糊層次分析法得出地下水脆弱性驗證指標(biāo)的權(quán)重值見表6、表7。

2.2 建立脆弱性驗證評價集

地下水特殊脆弱性評價驗證指數(shù)計算公式為：

(3)

式中：iW為各驗證指標(biāo)的權(quán)重值；iR為各驗證指標(biāo)的評分值。

表6 感官定性驗證指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)和范圍Tab.6 Scoring criteria and scope for the sensory qualitative verifiable indicators

注：表中w為根據(jù)式(1)計算出的權(quán)重值。

表7 水質(zhì)定量驗證指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)和范圍 Tab.7 Scoring criteria and scope for the water quality quantitative verifiable indicators

注：表中w為根據(jù)式(1)計算出的權(quán)重值。

根據(jù)研究區(qū)驗證指數(shù)值范圍，將其等間距劃分為5個等級并對應(yīng)5個水質(zhì)等級。地下水水質(zhì)等級越低，驗證指數(shù)越小，水質(zhì)越好，具體見表8。

表8 地下水水質(zhì)等級程度劃分Tab.8 Classes of groundwater quality degree

3 喬口鎮(zhèn)特殊脆弱性評價及其模型驗證

3.1 喬口鎮(zhèn)概況

喬口鎮(zhèn)是湖南省長沙市望城區(qū)典型村鎮(zhèn)，地處洞庭湖平原地區(qū)，地勢平緩，海拔一般為25～35 m。喬口鎮(zhèn)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均降雨量1 350 mm，3-8月降雨較多，9月至次年2月降水量偏少。喬口鎮(zhèn)河網(wǎng)密布，幾乎被江河湖泊環(huán)繞，新河自南向北再折向東流入湘江，東部為由南向北匯入洞庭湖的湘江，西南部是團頭湖，西部為南湖，北部有天井湖和毛家湖。

3.2 喬口鎮(zhèn)淺層地下水特殊脆弱性評價結(jié)果

采用模糊層次分析法對喬口鎮(zhèn)地下水特殊脆弱性進(jìn)行評價，其評價結(jié)果見圖1。由圖1可知，喬口全鎮(zhèn)地下水脆弱性整體較高，地下水易受到外來污染。其中地下水脆弱性較高的區(qū)域集中在靠近湘江的柳林江村南部，喬口社區(qū)，臨近新河的荷葉湖村、湛水村北部以及靠近團頭湖的團頭湖村南部、水星村。

圖1 喬口鎮(zhèn)地下水脆弱性評價結(jié)果Fig.1 Groundwater vulnerability assessment in Qiaokou Town

3.3 喬口鎮(zhèn)淺層地下水的水質(zhì)情況

本文收集喬口鎮(zhèn)中72眼淺層地下水水井在2015年枯水期(1月份)與豐水期(6月份)的水質(zhì)資料和地下水的感官性狀資料，利用模糊層次分析法和Arc MAP對喬口鎮(zhèn)地下水特殊脆弱性評價結(jié)果進(jìn)行驗證。地下水取樣點分布見圖2。

利用GIS的Spatial Analyst工具，得到地下水特殊脆弱性評價結(jié)果的驗證圖。

3.3.1枯水期水質(zhì)情況

枯水期喬口鎮(zhèn)地下水脆弱性模型驗證圖如圖3所示。由圖3可知，枯水期喬口鎮(zhèn)地下水水質(zhì)較差的區(qū)域主要集中在沿湘江一側(cè)的柳林江村、喬口社區(qū)、靠近新河的西側(cè)段、湛水村東南部以及藍(lán)塘寺村、團頭湖村靠近團頭湖部分，而喬口鎮(zhèn)中心區(qū)域的地下水水質(zhì)較好。

圖3 枯水期地下水脆弱性模型驗證結(jié)果Fig.3 Groundwater Vulnerability model validation in the dry reason

3.3.2豐水期水質(zhì)情況

豐水期喬口鎮(zhèn)地下水脆弱性模型驗證圖如圖4所示。由圖4可知，豐水期的水質(zhì)較枯水期的較差，靠近團頭湖一側(cè)的地下水為水質(zhì)最差的一類。豐水期水質(zhì)較差的區(qū)域主要集中在喬口社區(qū)，藍(lán)塘寺村、團頭湖村靠近團頭湖的一側(cè)。

圖4 豐水期地下水脆弱性模型驗證結(jié)果Fig.4 Groundwater Vulnerability model validation in the wet reason

3.3.3喬口鎮(zhèn)特殊脆弱性評價的驗證

各等級地下水特殊脆弱性評價指數(shù)均值與枯、豐水期地下水脆弱性模型驗證指數(shù)均值見表9，通過分別耦合比較三者的指數(shù)均值，得出3者在不同區(qū)間相互對應(yīng)關(guān)系見圖5。

表9 脆弱性評價指數(shù)與驗證指數(shù)對照Tab.9 Vulnerability assessment and verification index cross-references

圖5 脆弱性評價指數(shù)與驗證指數(shù)相關(guān)關(guān)系Fig.5 Vulnerability assessment and verification index correlation index

由圖5可知，3者整體耦合較好，地下水脆弱性評價指數(shù)與驗證指數(shù)存在很好線性關(guān)系。地下水脆弱性模型驗證指數(shù)隨特殊脆弱性評價指數(shù)的增大而增大，證明了該地下水特殊脆弱性評價模型能較好地反映地下水易污染的程度，與地下水水質(zhì)情況相符度較高。同時由圖6可知，豐水期的驗證指數(shù)較枯水期的偏高，即豐水期地下水的水質(zhì)較枯水期差，說明在豐水期時，地表水水質(zhì)與水位會對地下水的水質(zhì)產(chǎn)生較大的影響。

4 結(jié) 語

通過喬口鎮(zhèn)淺層地下水特殊脆弱性評價及其評價結(jié)果的驗證的研究，得到以下結(jié)論。

(1)在傳統(tǒng)DRASTIC評價模型的基礎(chǔ)上，增加了土地利用類型、地表水水質(zhì)、農(nóng)藥使用量、化肥使用量作為評價因素，使該評價模型適用于村鎮(zhèn)的地下水特殊脆弱性評價。通過對喬口鎮(zhèn)特殊脆弱性評價可知，地下水脆弱性較高區(qū)域集中在靠近湘江、新河、團頭湖一側(cè)。

(2)收集了喬口鎮(zhèn)2015年枯水期、豐水期的地下水的感官性狀與水質(zhì)資料，運用模糊層次分析法建立地下水特殊脆弱性評價模型的驗證方法。地下水脆弱性評價指數(shù)與驗證指數(shù)存在很好線性關(guān)系，該方法可用來驗證地下水特殊脆弱性評價結(jié)果。

(3)根據(jù)喬口鎮(zhèn)地下水特殊脆弱性評價結(jié)果，建議在地下水水質(zhì)較差的區(qū)域，主要包括喬口社區(qū)，柳林江村，沿新河、團頭湖沿岸區(qū)域盡早實現(xiàn)集中供水，以保證全鎮(zhèn)村民的生活飲用水的安全。

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